鋼纖維-鋼筋混凝土結構低速沖擊數值模擬研究

林茂+田艷鳳+余曉青+胡功笠

摘要：本文利用ABAQUS有限元軟件，以鋼纖維-鋼筋混凝土四邊簡支板為研究對象，對其在低速沖擊作用下的局部破壞效應、整體破壞效應兩方面的結構性能進行數值模擬。

關鍵詞：鋼纖維；低速沖擊；數值模擬

板的撓度變形值是評價構件整體變形和韌性的重要參數，低速沖擊對鋼纖維-鋼筋混泥土結構的整體作用主要表現在對構件的整體壓力并使之發生整體彎曲。本文對落錘沖擊體、四邊簡支支座、鋼纖維-鋼筋混泥土板分別建立模型，對落錘沖擊試驗過程應用ABAQUS有限元仿真軟件進行模擬，所得數據與參考試驗結果相比對，以驗證數值模擬的有效性，最后從撓度-時間關系的角度分析構件的整體變形特征。

一、模型的建立

1、混凝土與鋼筋模型的建立。混凝土與鋼筋模型平面尺寸為300mm×300mm，板的厚度設為50mm，混泥土板劃分的單元體數為36000個。建立3×3和5×5兩種間距的鋼筋網模型，鋼筋與混泥土采用分離式模型建模，通過“裝配”功能組合到一起。

2、鋼纖維模型的建立。本文應用整體式模型將鋼纖維當作混泥土中的強化組分，將鋼纖維混泥土視為一種勻質材料，在模型中滿足鋼纖維與混泥土無相對滑移并且位移變形協調一致的假設。鋼纖維混凝土模型參數見表1。

3、沖擊體與支座模型的建立。落錘沖擊體和底部支座的材料均為45號鋼。沖擊體模型截面為直徑50mm的圓形，沖擊體高70mm，重量為50kg。底部支座與板構件的關系為四邊簡支，支座外形尺寸為邊長300mm，高20mm的正方形封閉結構，支座截面與板件接觸寬度為5mm。

4、本構模型的建立。

模型建立的最終效果如圖1所示。

二、數值模擬計算結果與分析

1、模擬結果比對。將沖擊體模型加載與落錘試驗相同的沖擊能量，沖擊接觸位置為板件的幾何中心，利用ABAQUS數據捕捉功能選取中心位置處的位移變形值，導出撓度-時間曲線。數值模擬所得數據與落錘試驗測得數據相對比，部分板件的對比圖如圖2所示，圖中FEM為數值模擬的結果。

由圖2可知，數值模擬曲線與落錘試驗曲線符合較為良好，但是在初始破壞形成后的下降段兩條曲線有一定出入。可能是因為在建立鋼纖維混泥土模型時所做的簡化工作，省略掉了鋼纖維混凝土板在受到初始破壞時荷載的急劇下降階段。

2、撓度變形分析。板件的撓度變形能直觀反映受沖擊過程中的整體破壞程度，通過撓度-時間曲線可以看出板件受低速沖擊的變形破壞規律，部分板件的撓度-時間曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出：板件的撓度變形曲線在初始階段接近于直線形式快速上升，此時板件為彈性變形階段；曲線到達拐點后斜率有所降低但繼續呈上升態勢直到最大位移量的形成，此時板件在鋼筋的拉結作用下，變形速度有所降低；之后曲線呈不規則的折線形式緩慢下降，最后維持近似水平狀態，此時板件經歷一定程度的彈性恢復形變，最后維持一定量的塑性變形。

三、結語

利用ABAQUS有限元軟件，對鋼纖維-鋼筋混泥土板試件在低速沖擊作用下的破壞過程進行了數值模擬。采用整體式鋼纖維混凝土模型，分別對鋼纖維混凝土、鋼筋、沖擊體和底部支座進行建模，對落錘沖擊試驗進行了數值分析。模擬結果中的荷載-時間曲線與參考試驗曲線基本符合，驗證了模型具有一定合理性和有效性。

參考文獻

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